Nuove scoperte sulla natura della luce potrebbero migliorare i metodi per riscaldare il plasma per raggiungere la temperatura necessaria a innescare la fusione nucleare dell’idrogeno.

 

 

 

Sia in senso letterale che figurato, la luce pervade il mondo. Scaccia le tenebre, trasmette segnali di telecomunicazione tra i continenti e rende visibile l’invisibile, dalle galassie lontane al più piccolo batterio.

La luce può anche aiutare a riscaldare il plasma all’interno di dispositivi a forma di anello noti come tokamak, mentre gli scienziati di tutto il mondo si sforzano di sfruttare il processo di fusione per generare elettricità verde.

Ora, gli scienziati hanno fatto scoperte sulle particelle di luce note come fotoni che potrebbero aiutare la ricerca di energia da fusione.

Eseguendo una serie di calcoli matematici, i ricercatori hanno scoperto che una delle proprietà di base di un fotone è topologica, il che significa che non cambia anche quando il fotone si muove attraverso diversi materiali e ambienti.

Questa proprietà è la polarizzazione, la direzione – sinistra o destra – che i campi elettrici prendono mentre si muovono attorno a un fotone.

A causa delle leggi fisiche di base, la polarizzazione di un fotone aiuta a determinare la direzione in cui viaggia il fotone e ne limita il movimento.

Pertanto, un fascio di luce composto solo da fotoni con un tipo di polarizzazione non può diffondersi in ogni parte di un dato spazio.

“Avere una comprensione più accurata della natura fondamentale dei fotoni potrebbe portare gli scienziati a progettare fasci di luce migliori per il riscaldamento e la misurazione del plasma”, ha detto Hong Qin, fisico ricercatore principale presso il Princeton Plasma Physics Laboratory  del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti (DOE) e co-autore di un articolo che riporta i risultati su Physical Review D.

Anche se i ricercatori stavano studiando i singoli fotoni, lo stavano facendo come un modo per risolvere un problema più grande e più difficile: come utilizzare fasci di luce intensa per eccitare perturbazioni di lunga durata nel plasma che potrebbero aiutare a mantenere le alte temperature necessarie per la fusione.

Conosciute come onde topologiche, queste oscillazioni si verificano spesso al confine di due regioni diverse, come il plasma e il vuoto nei tokamak sul suo bordo esterno.

Non sono particolarmente esotici: si trovano naturalmente nell’atmosfera terrestre, dove contribuiscono a produrre El Niño, una raccolta di acqua calda nell’Oceano Pacifico che influenza il clima in Nord e Sud America.

Per produrre queste onde nel plasma, gli scienziati devono avere una maggiore comprensione della luce – in particolare, lo stesso tipo di onda a radiofrequenza utilizzata nei forni a microonde – che i fisici già usano per riscaldare il plasma.

Con una maggiore comprensione arriva una maggiore possibilità di controllo.

“Stiamo cercando di trovare onde simili per la fusione”, ha detto Qin.

Se potessimo crearle nel plasma, potremmo aumentare l’efficienza del riscaldamento del plasma e contribuire a creare le condizioni per la fusione”.

La tecnica assomiglia al suono di una campana.

Proprio come l’uso di un martello per colpire una campana fa sì che il metallo si muova in modo tale da creare il suono, gli scienziati vogliono colpire il plasma con la luce in modo che si muova in un certo modo per creare calore sostenuto.

Risolvere un problema semplificandolo avviene in tutta la scienza.

“Se stai imparando a suonare una canzone al pianoforte, non inizi cercando di suonare l’intera canzone a tutta velocità”, ha detto Eric Palmerduca, uno studente laureato nel Princeton Program in Plasma Physics, che ha sede presso PPPL, e autore principale dell’articolo.

“Inizi a suonarlo a un ritmo più lento; lo rompi in piccole parti; Forse impari ogni mano separatamente. Lo facciamo sempre nella scienza: suddividendo un problema più grande in problemi più piccoli, risolvendoli uno o due alla volta, e poi rimettendoli insieme per risolvere il grande problema”.

Oltre a scoprire che la polarizzazione di un fotone è topologica, gli scienziati hanno scoperto che il moto di rotazione dei fotoni non può essere separato in componenti interne ed esterne.

Pensate alla Terra: ruota sul suo asse, producendo il giorno e la notte, e orbita attorno al sole, producendo le stagioni.

Questi due tipi di movimento in genere non si influenzano a vicenda; per esempio, la rotazione della Terra attorno al suo asse non dipende dalla sua rivoluzione attorno al sole. Infatti, il moto di rotazione di tutti gli oggetti con massa può essere separato in questo modo.

Ma gli scienziati non sono stati così sicuri di particelle come i fotoni, che non hanno massa.

“La maggior parte degli sperimentatori presume che il momento angolare della luce possa essere diviso in spin e momento angolare orbitale”, ha detto Palmerduca.

“Tuttavia, tra i teorici, c’è stato un lungo dibattito sul modo corretto di fare questa scissione o se sia possibile fare questa scissione. Il nostro lavoro aiuta a risolvere questo dibattito, dimostrando che il momento angolare dei fotoni non può essere diviso in spin e componenti orbitali”.

Inoltre, Palmerduca e Qin hanno stabilito che le due componenti del movimento non possono essere divise a causa delle proprietà topologiche e immutabili di un fotone, come la sua polarizzazione.

Questa nuova scoperta ha implicazioni per il laboratorio. “Questi risultati significano che abbiamo bisogno di una migliore spiegazione teorica di ciò che sta accadendo nei nostri esperimenti”, ha detto Palmerduca.

Tutte queste scoperte sui fotoni danno ai ricercatori un quadro più chiaro di come si comporta la luce. Con una maggiore comprensione dei fasci di luce, sperano di capire come creare onde topologiche che potrebbero essere utili per la ricerca sulla fusione.

I risultati si riferiscono a un risultato matematico noto come Teorema della Palla Pelosa.

“Il teorema afferma che se hai una palla ricoperta di peli, non puoi pettinare tutti i peli senza creare un ciuffo da qualche parte sulla palla. I fisici pensavano che questo implicasse che non si potesse avere una sorgente di luce che inviasse fotoni in tutte le direzioni allo stesso tempo”, ha detto Palmerduca.

Lui e Qin scoprirono, tuttavia, che questo non è corretto perché il teorema non tiene conto, matematicamente, del fatto che i campi elettrici fotonici possono ruotare.

I risultati confermano anche la ricerca dell’ex professore di fisica dell’Università di Princeton Eugene Wigner, che Palmerduca ha descritto come uno dei più importanti fisici teorici del XX secolo.

Wigner si rese conto che usando principi derivati dalla teoria della relatività di Albert Einstein, poteva descrivere tutte le possibili particelle elementari dell’universo, anche quelle che non erano ancora state scoperte.

Ma mentre il suo sistema di classificazione è accurato per le particelle con massa, produce risultati imprecisi per le particelle prive di massa, come i fotoni.

“Qin e io abbiamo dimostrato che usando la topologia”, ha detto Palmerduca, “possiamo modificare la classificazione di Wigner per le particelle prive di massa, fornendo una descrizione dei fotoni che funziona in tutte le direzioni allo stesso tempo”.

Nella ricerca futura, Qin e Palmerduca hanno in programma di esplorare come creare onde topologiche benefiche che riscaldano il plasma senza creare varietà inutili che assorbono il calore.

“Alcune onde topologiche deleterie possono essere eccitate involontariamente, e vogliamo capirle in modo che possano essere rimosse dal sistema”, ha detto Qin.

“In questo senso, le onde topologiche sono come nuove razze di insetti. Alcuni sono benefici per il giardino e altri sono parassiti”.

Nel frattempo, sono entusiasti dei risultati attuali. “Abbiamo una comprensione teorica più chiara dei fotoni che potrebbero aiutare a eccitare le onde topologiche”, ha detto Qin. “Ora è il momento di costruire qualcosa in modo da poterli usare nella ricerca dell’energia da fusione”.